Тема №4. Принципы обеспечения сейсмостойкости

Зданий и сооружений.

Проектирование и строительство в сейсмически опасных районах
включает в себя как использование специальных расчетных схем, учитывающих сейсмические нагрузки, так и применение апробированных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений.
Нормирование является наиболее надежным, эффективным и массовым
путем внедрения последних достижений науки в практику сейсмостойкого
строительства.

4.1. Отражение принципов сейсмозащиты
в национальных нормах

В настоящее время 31 страна располагает национальными нормами
(кодами) сейсмостойкого строительства, в их числе 11 европейских, 8 латиноамериканских, 7 азиатских, 2 африканские, а также Австралия, Новая
Зеландия и Филиппины, т е. почти все экономически развитые страны
включены в разработку норм сейсмостойкого строительства.

По поручению Международной организации по сейсмостойкому
строительству (МАСС), специалистами 11 стран разработаны основные
положения Международного кода по сейсмостойкому строительству. Этот
документ состоит из трех разделов и может служить основой для разработки нормативов странами, которые их еще не имеют.

Авторами зарубежных норм, как правило, являются национальные
научно-исследовательские центры (институты) по сейсмостойкому строительству, в которых ведутся многоплановые теоретические и экспериментальные работы. Тем не менее некоторые наиболее важные вопросы строительства в сейсмических районах по-прежнему остаются нерешенными.
Так, классификация зданий и сооружений по ответственности в зарубежных нормах носит приближенный, не конкретный характер, что допускает
неоднозначное толкование соответствующих положений норм.

В нормах США, Японии, Франции значение расчетной сейсмической
нагрузки в зависимости от установленного класса здания изменяется в 1,5
раза, в нормах Китая - в 4, в нормах Индии - в 6 раз.

Как правило, временные здания и сооружения рекомендуется проектировать без учета сейсмических воздействий. Для больниц, пожарных депо, зданий полиции, сооружений, нормальное функционирование которых
необходимо для ликвидации последствий землетрясений, сейсмические
нагрузки имеют повышенные значения по сравнению с обычными жилыми, общественными и производственными зданиями. Особо ответственные
и уникальные сооружения рассчитываются на максимальные значения
сейсмической нагрузки.

Анализ современных норм сейсмостойкого строительства и реализация их требований проходят постоянную проверку во время сильных землетрясений.

Классификация зданий и сооружений во всех нормах излагается сокращенно, в форме примерного перечня. Так, в нормах ФРГ, Китая, США
и Мексики классификация состоит из трех позиций, в нормах Франции и
Японии - из четырех, в нормах Индии - из пяти. Ни в одних нормах не
учитывается повторяемость землетрясений.

Указания об учете сочетания сейсмических нагрузок с другими нагрузками и воздействиями по времени и направлению практически отсутствуют во всех нормах. В некоторых же нормах ветровые нагрузки учитываются в сочетании с сейсмическими (США, Китай), а в большинстве норм
сочетание ветровых и сейсмических нагрузок не учитывается.

В нормах США ветровые нагрузки предлагается учитывать только
для тех сооружений, для которых эти нагрузки в обычных условиях имеют
решающее значение. Приводится карта ветровых нагрузок, учитываемых
вместе с сейсмическими. В нормах Китая для аналогичных сооружений
предлагается учитывать 25 % значений ветровых нагрузок для обычных
условий.

Значения постоянных и временных нагрузок, учитываемых в сочетании
с сейсмическими нагрузками, неодинаковы в нормах разных стран. В некоторых нормах принимаются полные их значения, в некоторых - только их
часть (США, Мексика, Китай, Франция). В подавляющем большинстве зарубежных норм сейсмические нагрузки определяются на основе спектральных кривых.

Указания по учету неупругой стадии работы конструкций изложены
только в некоторых нормах (США, Италия). Так, в нормах США даются рекомендации по конструктивным решениям ригелей металлических каркасов, способствующих развитию пластических деформаций в конструкциях. В итальянских нормах оговаривается возможность расчета зданий
как нелинейной системы на сейсмические воздействия и приводится эмпирическое выражение для определения деформации конструкций за пределом упругости.

В большинстве норм протяженность сооружений не учитывается. По
имеющимся же в нормах Франции указаниям предлагается сейсмическую
нагрузку, действующую в продольном направлении протяженных зданий и
сооружений, принимать с понижающим коэффициентом, значения которого зависят от типа грунтов и конструкций фундаментов, но не должны
быть менее 0,5.

Указания по учету кручения сооружений в плане при действии землетрясений имеются в нормах США, Мексики, Франции.

В большинстве норм излагаются общие принципы определения
сейсмических нагрузок на строительные конструкции и применения необходимых конструктивных мероприятий. Только в нормах некоторых стран
имеются специальные разделы, посвященные различным видам строительства. Так, только в нормах Японии изложены указания по расчету и проектированию подземных сооружений (тоннелей, метрополитенов) и имеются
разделы, посвященные расчету и проектированию транспортных и гидротехнических сооружений для строительства в сейсмических районах.

Во многих нормах нет конкретных указаний по учету характера взаимодействия грунта и фундаментов при сейсмических воздействиях. В нормах же Франции расчетная сейсмическая нагрузка корректируется в зависимости от типа фундаментов и характеристик грунтов.

Необходимость проведения работ по сейсмическому микрорайонированию в лаконичной форме изложена в нормах всех стран. Для действующих норм различных стран характерно повышение объема конструктивных требований и их детализация по видам конструкций (металлическим, железобетонным, деревянным, каменным) по сравнению с предшествующими документами.

На основе международного опыта проектирования, строительства и
разрушения зданий при землетрясениях, были сформулированы общие
принципы обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений.

Все мероприятия по сейсмической защите сооружений можно условно разделить на активные и пассивные. Активные мероприятия направлены на снижение величины сейсмических воздействий, а пассивные - на
повышение сейсмостойкости самого здания.

4.2. Активные способы сейсмозащиты

Система сейсмоизоляции здания является одним из способов относительной защиты здания или сооружения от сейсмических воздействий.
Существует ряд конструктивных решений систем сейсмоизоляции.

Снизить величину сейсмического воздействия на сооружение можно
различными способами, например, путем устройства в грунте по периметру
здания (или на сейсмоопасном направлении) специального экрана (пневматического, гидравлического и шахтного) из скважин или траншей, заполненных сейсмопоглощающим материалом для защиты фундаментов, или с помощью специальных конструктивных решений фундаментов и т.д.

Схема антисейсмического экрана

Системы с пневматическими, гидравлическими и шахтными экранами защиты фундаментов в значительной степени уменьшают передачу
сейсмической нагрузки на сооружение, несмотря на то, что главный контакт «основание-фундамент» остается неизменяемым.

Идея сейсмоизоляции зданий и сооружений возникла еще в далекой
древности. При археологических раскопках в Средней Азии были обнаружены под стенами зданий X в. камышитовые маты. Аналогичные конструкции в качестве сейсмоамортизаторов применялись и в Индии. Известно, что землетрясение 1897 г. в районе г. Шиллонга разрушило почти все
каменные здания, кроме тех, которые были построены на сейсмоамортизаторах, хотя и примитивной конструкции.

К настоящему времени предложено около 40 типов сейсмоизолирующих устройств. Все они могут быть разделены на четыре класса:

1) опорные системы с безразличным положением равновесия на шаровых элементах;

2) опорные системы с гибкими стойками;

3) опорные системы с устойчивым положением равновесия на телах
вращения;

4) системы на маятниковых подвесках.

Кроме того, существуют конструкции с повышенными диссипативными свойствами в виде сейсмоизолирующего скользящего пояса в фундаменте. При таких системах сейсмоизоляции возникшие после очередного
землетрясения остаточные смещения должны в последующем устраняться.

Идея конструкций с односторонними выключающимися или включающимися связями состоит в том, что система во время земле-
трясения односторонним изменением жесткости избегает попадания
в резонанс на какой-либо «рабочей» частоте сейсмического воздействия.
У системы с выключающимися связями начальная жесткость намного превышает конечную жесткость после выключения связей, а выключение связей происходит по достижении нагрузкой проектного значения. У системы
с включающимися связями имеются дополнительные упругие элементы, которые принимают участие в работе по достижению перемещений несущими элементами определенной заданной величины. При этом начальная
жесткость системы всегда меньше ее жесткости совместно с дополнительными элементами.

Общим для конструкций с кинематическими опорами различных типов (шаровых опор, эллипсоидов, качающихся стоек и др.) является наличие специального демпфера, способствующего гашению колебаний, и подвижных и окаймляющихся элементов, взаимодействие которых создает
возвращающие силы при смещениях. Основным недостатком Катковых
систем является их низкая затухаемость, в связи с чем демпферы - обязательный элемент этих систем.

Опорные системы Вискардини с безразличным положением равновесия могут быть выведены из нейтрального положения сейсмической или
ветровой нагрузкой, но возвратиться в первоначальное положение они не
смогут. Включение в такие системы сервомеханизмов Капута и Матттитта, а
также Бернардского, усложнит конструкцию и значительно увеличит эксплуатационные расходы. Конструкция Сэнсуэй Кэнсэцу динамически неподвижна.

Сейсмоизолирующие устройства различных систем:

а - Капута-Машица; б – Бернардского; в – Сэнсуэй-Кэнсэнцу; г – Филиппоци;

д – Черепинского; е – Назина; ж – Вискардини; з – Шишканова; и – Кочегарова;

л – Гамеса; м - Зеленского

Опорные системы с гибкими стойками - известный в строительстве
первый гибкий этаж - имеют существенный недостаток, т.к. входят в резонанс на периоде, близком к 1 с, даже при сравнительно небольших внешних
воздействиях (до 6 баллов), что вызывает разрушение конструкций; система
Г.Ф. Шишканова в значительной степени уменьшает этот недостаток.

Опорная система с устойчивым положением равновесия Филиппоци
металлоемка и сложна в изготовлении, а Ю.Д. Черепинского - может быть
весьма эффективна, если экономически рационально решить вопрос производства четырех типоразмеров сфер.

Конструкции с подвесными опорами представляют собой специально
сконструированный фундамент, позволяющий подвесить здание на тяжах.
Конструкция отличается высокой стоимостью сейсмоизолирующей части.

Системы на маятниковых подвесках конструкции Ф.Г. Гамеса,
Ф.Д. Зеленскова и Б.И. Кочегарова существенно изменяют сейсмическую
нагрузку, однако возникает необходимость в проектировании сложных
фундаментов с элементами, работающими одновременно на растяжение,
изгиб, сжатие и, следовательно, увеличивающими металлоемкость и тру-
доемкость изготовления конструкции.

Гравитационные системы сейсмоизоляции Назина с включающимся
сухим трением (особенно с многоступенчатой схемой включения) обеспечивают «пластическую работу» сооружения на сейсмическую нагрузку при упругой работе всех конструкций и деталей, что обеспечивает, в свою очередь, практически бессрочную работу системы.

Активные способы сейсмозащиты пока не нашли широкого применения и носят преимущественно экспериментальный характер, в связи с
чем такие конструктивные решения не нормируются ни в России, ни за рубежом. Массовое применение специальных систем сейсмозащиты сдерживает отсутствие промышленного производства технических средств, единой системы технико-экономической оценки этих решений, включая недостаточную сейсмологическую информацию, и отсутствие апробированных разработанных методов расчета. Однако это направление является
перспективным в сейсмостойком строительстве.